水下夹桩器卡环连接结构接触有限元分析

1、水下夹桩器卡环连接结构接触有限元分析    （哈尔滨工程大学机电工程学院,黑龙江 哈尔滨 150001）    摘 要：水下夹桩器是一种广泛应用于海洋石油平台建设的液压夹具。卡环式连接结构被应用于水下夹桩器。使用ANSYS软件数值模拟对卡环连接结构的接触问题进行了受力分析，阐述了基于有限元分析的接触模型建立，获得接触部件实际工况下的应力及其变形等结果。分析结果显示，设计满足工程要求。文中实践说明，采用非线性有限元法节省了分析计算时间，为卡环式连接结构的优化设计及制造提供了理论依据。 关键词：海洋石油平台;水下夹桩器

2、；有限元分析；接触；卡环连接结构 中图分类号：THI37.51 文献标识码：A 文章编号： Contact finite element analysis of check ring joint structure in underwater skirt pile gripper WANG Li-quan，SUN Zhi-juan，MENG Qing-xin， (College of Mechanical and Electronic Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001,China) Abstract：Underw

3、ater skirt pile gripper was a kind of hydraulic gripper. And it was widely applied in the construction of offshore oil platform. Check ring joint structure was applied in the underwater skirt pile gripper. The contact problem of the structure was calculated by ANSYS. The contact finite element optim

4、al design model was built. And the contact stress and extrusion of each parts under working conditions were obtained. The result showed that the engineering demands were well satisfied. It was revealed that the calculation time was saved by nonlinear finite element analysis method. The theory of des

5、ign was provided for improving of the structure of the check ring joint structure in underwater skirt pile gripper. Key words：offshore oil platform ; underwater skirt pile gripper; finite element analysis; contact; check ring joint structure    海洋平台是海上油气开采的重要设施，水下夹桩器是一种广泛应用于较深海固定

6、式石油开采平台安装的液压夹具。国内外广泛采用的安装方法是使用钢桩将石油平台固定于海底，然后用夹桩器初步联接钢桩和导管架。在国内文昌13-1/2、春晓、陆丰13-2、惠州21-1导管架及亚洲海上油气田平台最大导管架番禺30-1气田平台导管架等一系列较深水导管架工程建设中即是采用裙桩套管内安装夹桩器，通过动力站使夹紧器夹紧钢桩。 卡环式连接结构由于加工、安装、维修方便，被应用于水下夹桩器。卡环连接结构的结构性能将直接影响到最终的工程实用性。因此有必要对夹桩器本体结构进行计算分析，研究卡环凹槽处的应力分布规律等各项性能，并与技术指标进行对比。 从力学模型看，卡环连接结构属于典型的面一面接触组合连接结

7、构。接触问题涉及应力集中，属于不定边界问题，是一种高度非线性行为。普通方法难以得到其工作过程中真实的受力及变形等。文中应用非线性有限元理论，对卡环连接结构进行了接触受力的分析，为水下夹桩器压块齿进一步改进，提供了理论依据。 1 水下夹桩器工作原理简介    图1 水下夹桩器结构示意图 Fig.1 The sketch of skirt pile gripper 水下夹桩器结构示意图如图1所示。夹桩器焊接于导管架裙桩套管内。夹桩器的工作原理为：工作时，在周向均布的液压缸作用下，与活塞杆联接的夹爪夹紧钢桩，从而连接钢桩和导管架。 夹桩器周向均布九个液压缸，其

8、卡环连接结构简图如图2所示。设计结构合理的夹桩器卡环连接结构，并用计算机软件辅助方法对其进行强度和刚度校核是水下夹桩器设计的重要步骤。 图2 液压缸结构简图 Fig.2 The Sketch of the hydraulic cylinder of underwater skirt pile gripper 2 卡环连接结构有限元模型 2.1 多体接触问题有限元非线性求解方法 由受力分析可以判断油压作用下卡环连接结构被连接件的变形趋势，液压缸壁由于油压的作用会在局部形成弯矩，导致外环端面出现外翻现象(即径向位移向外)；同样由于油压的作用，导致液压缸底端面出现上翻现象(即轴向位移向上)。 从力学

9、角度看，这类问题属于接触非线性问题，传统的弹性接触算法已难以计算出各点的应力、应变。近年来，随着非线性理论的不断完善和计算机技术的飞速发展，利用非线性有限元法来分析这类问题已日趋成熟。本文用有限元分析软件ANSYS对水下夹桩器卡环连接结构进行有限元分析。 2.1.1 接触边界条件的处理 在油压作用下，夹桩器卡环、液压缸壁和液压缸底3个物体接触，其刚度方程为 (1) 式中： 为第 个物体的刚度矩阵； 为第 个物体的节点位移列阵； 为第 个物体的节点力矩阵。 设 为物体的边界： (2) 式中： 为受力后可能接触的边界； 为受力后不可能接触的边界。 受力后 是变化的，即： (3) 在方程(1)中，对

10、于某一节点上的节点力分量与节点位移分量二者之中只有已知其一，另一为待求才能求解。但在接触边界 上，节点力分量和节点位移分量皆为未知，即为边界约束非线性问题，必须用迭代方法和补充方法才能求解。 2.1.2 接触边界条件的处理 为了使方程(1)能够求解，必须根据接触面上的连接状态作为补充方程的定解条件。在接触边界 上，对于两个相互接触的物体A和B，其平衡条件和变形协调条件可分别表示为 平衡条件 (4) 协调条件 (5) 式中， 分别为物体A,B在节点i的法向节点力； 分别为物体A,B在节点i上的法向节点位移； 为 与 间的初始间隙。 2.1.3 边界收敛准则 由于有限元方法是一种结构离散化方法，离

11、散节点的个数对分析准确度是有影响的。在处理接触问题时，如给定一个工程分析中所允许的误差值 ，若 则边界收敛，否则在 与 交界处进一步细分网格，重新进行计算，直到上式满足，其中j为迭代 次数。 2.2 卡环连接结构接触有限元模型的建立 同一结构有多种可行方案，合理选择建模方案，合理选择单元类型及离散化程度，是结构有限元分析能否达到预期目的的关键。夹桩器卡环连接结构的承载和几何模型具有对称性，因此可建立轴对称模型。 接触是一种很普遍的非线性行为，它是状态变化非线性类型中一个特殊而重要的子集，有限元分析软件ANSYS在接触问题中支持三种接触方式：点一点接触，点一面接触，面一面接触。水下夹桩器卡环连接

12、结构接触模型的典型特点是：均为面接触，接触体承受法向载荷。卡环连接结构有限元接触模型采用柔柔的面一面接触算法，考虑液压缸底、缸壁和卡环之间的接触关系，定义多个接触对。夹桩器卡环连接结构有限元模型如图3所示。 图3 卡环连接结构接触有限元模型 Fig.3 Contact strength model of the of check ring joint structure 建模时接触面对之间采用库仑摩擦定律，界面摩擦因数取0.1。程序采用扩展的拉格朗日算法求解接触摩擦问题，为了保证求解的效率和稳定性，计算时采用自动时间步长和线性搜索技术。 2 优化结果及分析 由于夹桩器用于连接钢桩和导管架，要求

13、提供的很大的夹持力，因此对卡环连接结构强度有很高要求。并且工作环境对夹桩器整体结构有特殊要求，径向尺寸较小。 根据拉伸载荷作用下卡环连接结构各件的受力特征，确定各件采用的强度准则。对于被连接的液压缸壁和缸底而言，由于局部弯矩作用导致两环形槽拐角处的应力值较大，因此对于液压缸壁和缸底宜采用第四强度准则。按第四强度理论，要求等效应力屈服极限，即 （6） 式中： 轴向应力分量； 径向应力分量； 周向应力分量； 剪切应力分量。 卡环承受剪切，因此对于卡环宜采用第三强度准则。 （7） 式中： 和 为卡环的第一主应力和第三主应力。    图4卡环连接结构接触应力云图

14、    卡环连接结构的等效应力场分布如图4所示。由图4可知，结构的最大当量应力为300.0 MPa，因此，结构的最大等效应力值满足要求。油压的作用卡环连接结构的上、下接触面呈张开趋势(变形放大20倍)，径向变形表现为上接触面处液压缸壁环面出现外翻现象，径向变形表现为下接触面处液压缸底出现上翻现象，这和前文的定性分析相一致。计算表明结构的最大径向(x向)位移为-0.098mm，最大轴向位移(y向)范围为0.226mm，可见卡环连接结构的径向刚度和轴向刚度满足设计要求。 图5 优化后卡环危险截面剪应力分布    卡环在连接结构中，主要承受剪切作用。卡环危险截面剪应力如图5所示。由图5可知，卡环在液压缸底、缸壁的剪切作用下，危险截面剪应力数值自下向上呈非线性减少，最大剪应力 为66.5MPa，其强度满足要求。 液压缸底上表面的等效应力沿x